Tài liệu Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hạt nano pherit spinen NiY0,1Fe1,9O4 chế tạo bằng phương pháp sol- gel

  ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI  TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  ----------  Nguyễn Thị Ly CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO PHERIT SPINEN NiY0,1Fe1,9O4 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL   LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC  Hà Nội - 2014  Nguyễn Thị Ly     ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI  TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  ----------  Nguyễn Thị Ly CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO PHERIT SPINEN NiY0,1Fe1,9O4 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL – GEL Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt  Mã số: Đào tạo thí điểm    LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC    NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:    PGS. TS Nguyễn Phúc Dương Hà Nội - 2014  Nguyễn Thị Ly LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS. TS.    Nguyễn  Phúc  Dương-  người  thầy  đã  hướng  dẫn,  giúp  đỡ  tôi  hoàn  thành  luận  văn  này. Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự hướng  dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy. Thầy không chỉ truyền thụ cho tôi những kiến thức  khoa học quý giá mà còn là tấm gương sáng về tinh thần nghiên cứu khoa học hăng  say, nghiêm túc để tôi noi theo.  Tôi  xin  cảm  ơn  Viện  ITIMS  -Trường  Đại  học  Bách  Khoa  Hà  Nội  đã  tạo  những điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn. Đặc biệt xin được  gửi lời cảm ơn sâu sắc tới NCS. Lương Ngọc Anh cùng các anh chị trong nhóm Vật  liệu Từ - Viện ITIMS đã nhiệt tình hỗ trợ và đóng góp những ý kiến hết sức chân  thành và quý giá cho luận văn của tôi.  Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến GS. TS Lưu Tuấn Tài cùng các thầy, cô  trong  khoa  Vật  lý  nói  chung  và  trong  chuyên  ngành  Vật  lý  Nhiệt  nói  riêng  của  trường Đại học Khoa học tự Nhiên đã truyền thụ cho tôi những kiến thức quý báu  để tôi có đủ khả năng hoàn thành luận văn này.  Cuối cùng, tôi không quên gửi lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè của  tôi-  những  người  đã  luôn  động  viên,  giúp  đỡ  và  chia  sẻ  những  khó  khăn  với  tôi  trong suốt thời gian qua.  Tôi xin chân thành cảm ơn và xin chúc tất cả mọi người sức khỏe, luôn vui  vẻ và thành đạt trong cuộc sống.                Hà Nội, tháng 11  năm 2014  Tác giả luận văn Nguyễn Thị Ly     Nguyễn Thị Ly   MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN ..................... 3 1.1.Tính chất cơ bản của pherit spinen dạng khối. ................................................... 3  1.1.1.Cấu trúc tinh thể của pherit spinen. ........................................................... 3  1.1.2.Tính chất từ trong pherit spinen. ............................................................... 7  1.1.2.1.Tương tác trao đổi trong pherit spinen ............................................... 8  1.1.3.Lý thuyết trường phân tử đối với pherit spinen có hai phân mạng từ....... 10  1.2.Hạt pherit spinen có kích thước nanomet. ........................................................ 15  1.2.1.Các tính chất đặc trưng trong hạt nano pherit spinen............................... 15  1.2.1.1. Mô hình lõi vỏ. ............................................................................... 15  1.2.1.2. Dị hướng từ bề mặt. ....................................................................... 16  1.2.1.3. Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch. ........................................ 16  1.2.1.4. Hình thành cấu trúc đơn đômen. ..................................................... 17  1.2.1.5. Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie. .......................................... 18  1.2.1.6. Hiện tượng siêu thuận từ. ............................................................... 19  1.2.2.Một số ứng dụng của hạt nano pherit spinen. .......................................... 22  1.2.3. Những nghiên cứu về hạt nano pherit niken có sự pha tạp. .................... 25  CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 29 2.1.Phương pháp chế tạo hạt nano. ........................................................................ 29  2.1.1.Giới thiệu về phương pháp sol- gel. ........................................................ 29  2.1.2.Quy trình tổng hợp và chế tạo mẫu bằng phương pháp sol- gel. .............. 34  2.2.Các phương pháp khảo sát và đo lường tính chất của mẫu. .............................. 36  2.2.1.Phương pháp nhiễu xạ tia X. ................................................................... 36  2.2.2.Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại. ................................................. 39  2.2.3.Phương pháp kính hiển vi điện tử quét.................................................... 40  2.2.4.Máy quang phổ phát xạ liên kết cảm ứng plasma. ................................... 42  2.2.5.Từ kế mẫu rung. ..................................................................................... 43  Nguyễn Thị Ly CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 44 3.1.Cấu trúc của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4. ............................................. 44  3.1.1.  Kết quả đo nhiễu xạ tia X. .................................................................. 44  3.1.2.  Kết quả phân tích phổ hồng ngoại- IR. ............................................... 48  3.1.3.  Kết quả phân tích ảnh SEM. ............................................................... 49  3.2.Tính chất từ của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4. ........................................ 50  3.2.1.  Quá trình từ hóa .................................................................................. 50  3.2.2.  Mômen từ tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ- nhiệt độ Curie. ................. 54  3.2.3.  Nhiệt độ khóa. .................................................................................... 56  KẾT LUẬN .......................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 60             Nguyễn Thị Ly DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Cấu trúc tinh thể của pherit spinen. ........................................................ 5  Hình 1. 2: Các kiểu tương tác trao đổi trong vật liệu từ. .......................................... 9  Hình 1. 3: Một vài dạng cấu hình sắp xếp iôn trong mạng spinen ........................... 9  Hình 1. 4: Mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen ............................. 12  Hình 1. 5:Từ độ bão hòa  phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen ...................... 12  Hình 1. 6: Momen từ bão hòa ở 0 K của các pherit spinen. ................................... 14  Hình 1. 7: Mô hình lõi vỏ ..................................................................................... 15  Hình 1. 8: Cấu trúc đa đômen và đơn đômen trong hạt từ. .................................... 17  Hình 1. 9: Đường cong từ hóa của các vật liệu từ. ................................................. 20  Hình 1. 10: Momen từ hướng theo trục dễ : T>TB, momen từ hướng theo từ trường  ngoài TB 3/8 (điều này có ở hầu hết các pherit) thì iôn O2- phải  thay đổi sao cho trong liên kết A-B, khoảng cách A-O tăng lên còn khoảng cách BO giảm đi. Từ đây cho thấy tương tác A-B là lớn nhất. Giá trị tích phân tương tác  trao đổi JAA, JAB, JBB của các pherit spinen được tính toán và đưa ra trong bảng 1.5.  Bảng 1. 3:Tích phân trao đổi của một số vật liệu pherit spinen [6]:  Pherit  JAA  (K)  JBB (K)  JAB (K)  MgFe2O4  -38  -34,6  -42  Fe3O4  -18  +3  -28  Li0,5Fe2,5O4  -7,5  -2,7  -29    1.1.3. Lý thuyết trường phân tử đối với pherit spinen có hai phân mạng từ. Nhà vật lý học người Pháp, L. Néel (1904- 2000) là người tiên phong trong  việc nghiên cứu các tính chất từ của chất rắn nói chung và pherit nói riêng. Ông cho  rằng, mômen từ của pherit là tổng mômen từ trong hai phân mạng A và B.  Theo Néel, trường phân tử tác dụng lên các phân mạng A và B (khi H = 0)  của vật liệu pherit spinen được viết dưới dạng [6]:        HA  aa M A  ab MB   Nguyễn Thị Ly 10                                (1.3)  Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen    HB  ba M A  bb MB                                  (1.4)  Trong đó HA, HB là trường phân tử tác dụng lên phân mạng A và B; λij (i, j =  a hoặc b) là hằng số trường phân tử trong cùng một phân mạng λij (i = a, j = b) là  hằng số trường phân tử giữa hai phân mạng A và B.  MAvà MB  là từ độ tự phát của  hai phân mạng A và B. Vì phân mạng A khác phân mạng B nên λaa ≠ λbb  nhưng có  thể coiλab = λba.  Từ độ tự phát của từng phân mạng thay đổi theo nhiệt độ có thể mô tả theo  hàm Brillouin, cụ thể là [6]:     M A (T )  M A0 BJ A ( gJ AB H A )   kBT   (1.5)  M B (T )  M B0 BJ A ( gJ BB H B )    kBT   (1.6)  Với  M A  và  M B  là tự độ tự phát của hai phân mạng A và B ở nhiệt độ 0oK,  0 0 BJ là hàm Brillouin. Mômen từ của pherit bằng tổng vectơ từ độ hai phân mạng:         M  MA  MB           (1.7)  Tuỳ thuộc vào sự phụ thuộc của  M A và  M B  vào nhiệt độ, nồng độ các iôn  trong hai phân mạng và độ lớn tương tác giữa các phân mạng A-A, B-B, A-B ta có  thể tìm được sự phụ thuộc của từ độ pherit vào nhiệt độ.  Có 3 dạng đường cong M(T) thường thấy của pherit spinen được ký hiệu là  Q, P và N (hình 1.4).    - Khi  MB  MA  và tương tác trao đổi JAB> JAAvà JBB, tương tác trao đổi trong  các phân mạng JAA JBB, mômen từ phụ thuộc nhiệt độ có dạng Q (hình 1.4a)     -  Khi  MB  MA ,  JAB>  JAA  và  JBB;  JAA>JBB,  M  phụ  thuộc  vào  T  có  dạng  P  (hình 1.4b).    -  Khi  MB  MA ,  JAB>  JAA  và  JBB;  JBB>JAA,  M  phụ  thuộc  vào  T  có  dạng  N  nghĩa là pherit có nhiệt độ bù trừ (TK) (hình 1.4c).  Nguyễn Thị Ly 11 Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen Hầu hết các pherit spinen M(T) có dạng Q như pherit Mn-Zn, Ni-Zn, pherit  coban. Các pherit Ni-Mn-Ti, Ni-Al, Mn-Fe-Cr có đường cong M(T) dạng P. Pherit  Li-Cr: Li0,5Fe25-xCrxO4, Ni-Cr có dạng N [6].      M    M  MB  MB  N To   M = MB-MA   M = MB-MA    TC  -M  - M   M= MB-MA   TC  MA  TC   TK   T     T      M  P Q     MB  - M  MA  MA  c)  b)  a)  Hình 1. 4:Mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen [6].  a) dạng Q  b) dạng P có cực đại dị thường tại nhiệt độ To  c) dạng N có nhiệt độ bù trừ (TK)        Hình 1. 5: Từ độ bão hòa  phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen[22]. Bảng 1. 4: Từ độ bão hòa của một số pherit spinen ở 0 K và 293 K[22].   Nguyễn Thị Ly 12  T